RU2272325C1 - Installation for researching on liquid magnet - Google Patents

Installation for researching on liquid magnet Download PDF

Info

Publication number
RU2272325C1
RU2272325C1 RU2004121254/28A RU2004121254A RU2272325C1 RU 2272325 C1 RU2272325 C1 RU 2272325C1 RU 2004121254/28 A RU2004121254/28 A RU 2004121254/28A RU 2004121254 A RU2004121254 A RU 2004121254A RU 2272325 C1 RU2272325 C1 RU 2272325C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
inductors
current
stand
liquid magnet
coils
Prior art date
Application number
RU2004121254/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2004121254A (en
Inventor
Владимир Николаевич Калинин (RU)
Владимир Николаевич Калинин
Валерий Константинович Ковнацкий (RU)
Валерий Константинович Ковнацкий
Original Assignee
ГОУ ВПО Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГОУ ВПО Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского filed Critical ГОУ ВПО Военно-космическая академия им. А.Ф. Можайского
Priority to RU2004121254/28A priority Critical patent/RU2272325C1/en
Publication of RU2004121254A publication Critical patent/RU2004121254A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2272325C1 publication Critical patent/RU2272325C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Instructional Devices (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)
  • Control Of Electrical Variables (AREA)

Abstract

FIELD: the invention refers to training aids and may be used in practical work in physics course.
SUBSTANCE: the installation has in series connected: two flat induction coils, source of constant current, ammeter and rheostat. On a stand there are two fixed axles of rotating induction coils, on which two rigid brackets are pivotally suspended with their first ends and to their second ends are rigidly connected the induction coils placed in a vessel with liquid magnet installed on the stand provided with a scale with divisions in degrees.
EFFECT: the installation allows to take off dependence of Ampere force arising at interacting of the coils with current in liquid magnet from the value of this current and determine value of magnetic penetrability of liquid magnet and expands the field of researching.
4 dwg

Description

Изобретение относится к учебным приборам и может быть использовано в лабораторном практикуме в высших и средних специальных учебных заведениях по курсу физики для изучения и углубления знаний физических законов и явлений.The invention relates to educational devices and can be used in laboratory practice in higher and secondary special educational institutions at the rate of physics to study and deepen knowledge of physical laws and phenomena.

Известен прибор Кольбе для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, подвешенных на гибком шнуре на штативе. (Д.Д.Галанин и др. Физический эксперимент в школе, том 4. Учпедгиз, 1954, стр.125, рис.238). Он позволяет демонстрировать только взаимодействие двух катушек с током, без измерения силы Ампера и учета влияния магнитной проницаемости среды на силу взаимодействия.Known Kolbe device for demonstrating the interaction of two coils with current, suspended on a flexible cord on a tripod. (D. D. Galanin et al. Physical experiment at school, volume 4. Uchpedgiz, 1954, p. 125, Fig. 238). It allows you to demonstrate only the interaction of two coils with current, without measuring the Ampere force and taking into account the influence of the magnetic permeability of the medium on the interaction force.

Известен также учебный прибор для исследования электромагнитного поля (RU патент №2210815, 20.08.2003, Бюл. №23. Автор: Ковнацкий В.К.), содержащий два тороида с железным сердечником (твердым магнетиком). Этот прибор позволяет измерять характеристики электромагнитного поля, но на нем нельзя измерить магнитную проницаемость сердечников тороида.A training device for studying the electromagnetic field is also known (RU patent No. 2210815, 08.20.2003, Bull. No. 23. Author: V. Kovnatsky) containing two toroids with an iron core (solid magnet). This device allows you to measure the characteristics of the electromagnetic field, but it cannot measure the magnetic permeability of the toroid cores.

Наиболее близкой к предлагаемой установке является установка (фиг.4) для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, подвешенных на двух тонких проводах, (О.Ф.Кабардин. Физика. Справочные материалы. М.: Просвещение 1991, с.184, рис.190.) Установка содержит две плоские катушки индуктивности и источник постоянного тока. При подключении катушек к источнику постоянного тока наблюдается отклонение одной катушки от другой. При внесении в одну из катушек железного стержня, другая катушка отклоняется на больший угол. Однако эта установка не позволяет измерить силу Ампера при взаимодействии катушек индуктивности, а также определить величину магнитной проницаемости жидкой среды, в которой эти катушки могут взаимодействовать.Closest to the proposed installation is the installation (Fig. 4) for demonstrating the interaction of two coils with current suspended on two thin wires (O.F. Kabardin. Physics. Reference materials. M: Education 1991, p.184, Fig. 190.) The installation contains two flat inductors and a direct current source. When the coils are connected to a direct current source, one coil deviates from the other. When an iron rod is introduced into one of the coils, the other coil is deflected by a larger angle. However, this setup does not allow measuring the Ampere force during the interaction of inductors, and also to determine the magnetic permeability of a liquid medium in which these coils can interact.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей этой установки. Эта цель достигается тем, что в нее введены: подставка; две оси вращения плоских катушек индуктивности, закрепленные на подставке; два жестких подвеса, первые концы которых подвешены шарнирно на осях вращения плоских катушек индуктивности, а вторые концы жестко соединены с этими катушками и являются первыми вводами плоских катушек индуктивности, а вторыми вводами их являются тонкие изолированные проводники, навитые на оба жестких подвеса; амперметр и реостат, которые образуют последовательно замкнутую цепь с двумя последовательно соединенными плоскими катушками индуктивности и источником постоянного тока; сосуд с жидким магнетиком, установленный на подставке, в котором расположены две плоские катушки индуктивности в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности и осям вращения этих катушек; шкала с делениями в градусах, установленная на подставке.The aim of the invention is to expand the functionality of this installation. This goal is achieved by the fact that the following are introduced into it: stand; two axis of rotation of flat inductors mounted on a stand; two rigid suspensions, the first ends of which are hinged on the axis of rotation of the flat inductors, and the second ends are rigidly connected to these coils and are the first inputs of the flat inductors, and their second inputs are thin insulated conductors wound on both hard suspensions; an ammeter and a rheostat, which form a series-closed circuit with two series-connected flat inductors and a direct current source; a vessel with a liquid magnet mounted on a stand, in which there are two flat inductors in one plane perpendicular to the axes of the inductors themselves and the axes of rotation of these coils; graduated scale in degrees mounted on a stand.

На фиг.1 и фиг.2 представлены чертежи, поясняющие принцип работы предлагаемой установки. На фиг.3 изображен общий вид этой установки, на фиг.4 - ее прототип.In Fig.1 and Fig.2 presents drawings explaining the principle of operation of the proposed installation. Figure 3 shows a General view of this installation, figure 4 - its prototype.

В предлагаемую установку входит: 1 - плоская катушка индуктивности; 2 - жесткий подвес; 3 - ось вращения плоской катушки индуктивности; 4 - подставка; 5 - сосуд с жидким магнетиком; 6 - амперметр; 7 - реостат; 8 - источник постоянного тока; 9 - шкала с делениями в градусах.The proposed installation includes: 1 - a flat inductor; 2 - hard suspension; 3 - axis of rotation of a flat inductor; 4 - stand; 5 - a vessel with a liquid magnet; 6 - ammeter; 7 - rheostat; 8 - a direct current source; 9 - scale with divisions in degrees.

При проведении исследований с искусственно создаваемым жидким магнетиком (например, раствором хлористого железа в воде) необходимо каждый раз измерять магнитную проницаемость среды. Важно также определить силу Ампера при взаимодействии катушек с током в такой среде. Существующие устройства для измерения магнитной проницаемости (Руководство к лабораторным занятиям по физике под редакцией Л.Л.Гольдина. М.: Наука. 1973. стр.293-334; Ф.В.Кушнир. Измерение в технике связи. М.: Связь.1970. стр.480-495) не позволяют это сделать. Рассмотрим, каким образом это достигается в предлагаемой установке.When conducting research with an artificially created liquid magnet (for example, a solution of iron chloride in water), it is necessary to measure the magnetic permeability of the medium each time. It is also important to determine the Ampere force in the interaction of coils with current in such a medium. Existing devices for measuring magnetic permeability (Manual for laboratory studies in physics edited by L.L. Goldin. M.: Nauka. 1973. p. 293-334; F.V. Kushnir. Measurement in communication technology. M .: Communication. 1970. p. 480-495) do not allow this. Consider how this is achieved in the proposed installation.

Пусть два круговых витка с током I1 и I2 и радиусом R0 (фиг.1) подвешены на двух жестких одинаковых подвесах длиной 1 на осях O1 и O2. Катушки находятся в исходном положении на расстоянии r0 в жидком магнетике с магнитной проницательностью μ и плотностью ρ. Круговые витки расположены в одной плоскости, перпендикулярной осям вращения катушек O1 и O2, а также осям самих катушек О3 и O4. Под действием силы Ампера

Figure 00000002
эти витки разойдутся на угол α от исходного положения. В жидком магнетике на круговой виток с током I1 (фиг.1) действуют четыре силы: сила Ампера
Figure 00000002
, сила натяжения нити
Figure 00000003
, сила тяжести
Figure 00000004
и выталкивающая сила Архимеда
Figure 00000005
, где VB - объем кругового витка, ρ - плоскость жидкого магнетика, mB - масса витка и g - ускорение свободного падения.Let two circular turns with a current of I 1 and I 2 and a radius of R 0 (Fig. 1) are suspended on two rigid identical suspensions with a length of 1 on the axes O 1 and O 2 . The coils are in the initial position at a distance r 0 in a liquid magnet with magnetic permeability μ and density ρ. Circular coils are located in one plane perpendicular to the axes of rotation of the coils O 1 and O 2 , as well as the axes of the coils O 3 and O 4 themselves. Ampere
Figure 00000002
these turns diverge at an angle α from the starting position. In a liquid magnet, four forces act on a circular coil with current I 1 (Fig. 1): Ampere force
Figure 00000002
thread tension
Figure 00000003
, gravity
Figure 00000004
and buoyancy force of Archimedes
Figure 00000005
where V B is the volume of the circular coil, ρ is the plane of the liquid magnet, m B is the mass of the coil, and g is the gravitational acceleration.

Условие равновесия для каждого витка имеет вид:The equilibrium condition for each turn has the form:

Figure 00000006
Figure 00000006

или в проекциях на ось х:

Figure 00000007
or in projections on the x axis:
Figure 00000007

на ось у:

Figure 00000008
on the y axis:
Figure 00000008

Из выражений (1) и (2) находим:From the expressions (1) and (2) we find:

Figure 00000009
Figure 00000009

Определим силу ампера

Figure 00000002
, с которой круговой виток с током I2 действует на виток с током I1. Сначала найдем силу, с которой магнитное поле с индукцией
Figure 00000010
, создаваемое током I2, действует на элемент
Figure 00000011
, принадлежащий контуру l1 с током I1 (фиг 2):Define the power of ampere
Figure 00000002
with which a circular coil with current I 2 acts on a coil with current I 1 . First we find the force with which the magnetic field with induction
Figure 00000010
created by current I 2 acts on the element
Figure 00000011
belonging to the circuit l 1 with current I 1 (Fig 2):

Figure 00000012
Figure 00000012

Магнитная индукция

Figure 00000010
в соответствии с законом Био-Савара-ЛапласаMagnetic induction
Figure 00000010
in accordance with the law of Bio Savara Laplace

Figure 00000013
Figure 00000013

причем точкой наблюдения А является элемент

Figure 00000011
(фиг.2) первого витка, и следовательно, R означает расстояние между элементами
Figure 00000011
и
Figure 00000014
обоих векторов, а вектор
Figure 00000015
направлен от
Figure 00000014
к
Figure 00000011
.where observation point A is an element
Figure 00000011
(figure 2) of the first turn, and therefore, R means the distance between the elements
Figure 00000011
and
Figure 00000014
both vectors, and the vector
Figure 00000015
directed from
Figure 00000014
to
Figure 00000011
.

Объединяя (4) и (5) найдем силу:Combining (4) and (5) we find the force:

Figure 00000016
Figure 00000016

Сила, с которой круговой виток с током I2 действует на виток с током I1.The force with which a circular coil with current I 2 acts on a coil with current I 1 .

Figure 00000017
Figure 00000017

С той же силой круговой виток с током I1 действует на виток с током I2.With the same force, a circular coil with current I 1 acts on a coil with current I 2 .

Аналитическое вычисление двукратного интеграла в формуле (6) невозможно, поэтому значение его найдено авторами методом численного интегрирования:The analytical calculation of the double integral in formula (6) is impossible, therefore, its value was found by the authors by the method of numerical integration:

Figure 00000018
Figure 00000018

где R0 - радиус витков, r - расстояние между центрами круговых витков, которое находим из фиг.1:where R 0 is the radius of the turns, r is the distance between the centers of the circular turns, which we find from figure 1:

Figure 00000019
Figure 00000019

Приравнивая выражения (3) и (7) и учитывая равенство токов в круговых витках I1=I2, а также выражение (8) находим формулу для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика.Equating expressions (3) and (7) and taking into account the equality of currents in circular turns I 1 = I 2 , as well as expression (8), we find a formula for determining the magnetic permeability of a liquid magnet.

Figure 00000020
Figure 00000020

Для уменьшения величины потребляемого тока круговыми витками заменяем их плоскими катушками индуктивности массой m, каждая из которых содержит по N витков. Тогда ток I1 в выражении (9) заменим на I1=NI, где I - ток, протекающий через один виток катушки. В этом случае выталкивающая сила Архимеда FA=ρgV, где V - объем катушки индуктивности.To reduce the amount of current consumed by circular turns, replace them with flat inductors of mass m, each of which contains N turns. Then the current I 1 in expression (9) is replaced by I 1 = NI, where I is the current flowing through one coil of the coil. In this case, the buoyancy force of Archimedes is F A = ρgV, where V is the volume of the inductor.

С учетом введенных обозначений получим окончательное выражение для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика:Based on the introduced notation, we obtain the final expression for determining the magnetic permeability of a liquid magnet:

Figure 00000021
Figure 00000021

Схема экспериментальной установки для исследования жидкого магнетика представлена на фиг.3. Она содержит две плоские катушки индуктивности 1. Обе катушки 1 подвешены на жестких подвесах 2. Первые концы жестких подвесов 2 неподвижно соединены с катушками индуктивности 1, а вторые концы их подвешены шарнирно на осях вращения 3 катушек индуктивности, которые закреплены на подставке 4. Плоские катушки индуктивности 1 соединены последовательно между собой, расположены в сосуде с жидким магнетиком 5 в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности 1 и осям вращения 3 этих катушек. Первым вводом каждой катушки индуктивности 1 является жесткий подвес 2, а вторым вводом - тонкий изолированный проводник, навитый на жесткий подвес 2. Последовательно соединенные плоские катушки индуктивности 1 соединены также последовательно с амперметром 6, реостатом 7 и источником постоянного тока 8.The experimental setup for the study of liquid magnet is presented in figure 3. It contains two flat inductors 1. Both coils 1 are suspended on rigid suspensions 2. The first ends of rigid suspensions 2 are motionlessly connected to inductors 1, and their second ends are hinged pivotally on the axis of rotation of 3 inductors, which are mounted on a stand 4. Flat coils inductors 1 are connected in series with each other, located in a vessel with a liquid magnet 5 in one plane perpendicular to the axes of the inductors 1 themselves and the axes of rotation 3 of these coils. The first input of each inductor 1 is a rigid suspension 2, and the second input is a thin insulated conductor wound on a rigid suspension 2. Serially connected flat inductors 1 are also connected in series with an ammeter 6, a rheostat 7 and a direct current source 8.

Сосуд с жидким магнетиком 5 установлен на подставке 4, на которой установлена шкала с делениями в градусах 9. Указателем положения на шкале 9 является жесткий подвес 2.A vessel with a liquid magnet 5 is mounted on a stand 4, on which a scale with divisions in degrees 9 is installed. The position indicator on the scale 9 is a rigid suspension 2.

Изменяя величину тока в цепи с помощью реостата 7, катушки индуктивности расходятся на разные углы α, значения которых измеряем по шкале с делениями в градусах 9. Величину тока измеряем с помощью амперметра 6. Измеренные значения угла α и тока I подставляем в формулу (10) для определения магнитной проницаемости жидкого магнетика. Остальные величины, входящие в формулу (10), указаны на лабораторной установке.By changing the current in the circuit using rheostat 7, the inductors diverge at different angles α, the values of which are measured on a scale with degrees in 9. The current value is measured using ammeter 6. The measured values of the angle α and current I are substituted into formula (10) to determine the magnetic permeability of a liquid magnet. The remaining quantities included in formula (10) are indicated on the laboratory setup.

Зависимость силы Ампера F при взаимодействии катушек с током от величины этого тока можно рассчитать по формуле (7).The dependence of the Ampere force F during the interaction of the coils with the current on the magnitude of this current can be calculated by the formula (7).

Технико-экономическая эффективность предлагаемой установки для исследования жидкого магнетика заключается в том, что она обеспечивает повышение качества усвоения основных законов и явлений физики студентами.The technical and economic efficiency of the proposed installation for studying liquid magnetics lies in the fact that it provides an improvement in the quality of assimilation of the basic laws and phenomena of physics by students.

Предлагаемая установка реализована на кафедре физики и используется в учебном процессе на лабораторных занятиях по электромагнетизму.The proposed installation is implemented at the Department of Physics and is used in the educational process in laboratory studies on electromagnetism.

Claims (1)

Установка для исследования жидкого магнетика, содержащая две плоские катушки индуктивности и источник постоянного тока, отличающаяся тем, что в нее введены подставка, две оси вращения катушек индуктивности, закрепленные на подставке, два жестких подвеса, первые концы которых подвешены шарнирно на осях вращения катушек индуктивности, а вторые концы жестко соединены с плоскими катушками индуктивности и являются первыми вводами плоских катушек индуктивности, а вторыми вводами их являются тонкие изолированные проводники, навитые на оба жестких подвеса, амперметр и реостат, которые образуют последовательную замкнутую цепь с двумя последовательно соединенными плоскими катушками индуктивности и источником постоянного тока, сосуд с жидким магнетиком, установленный на подставке, в котором размещены две плоские катушки индуктивности в одной плоскости, перпендикулярной осям самих катушек индуктивности и осям вращения этих катушек, шкала с делениями в градусах, установленная на подставке.Installation for researching a liquid magnet, containing two flat inductors and a direct current source, characterized in that a stand is inserted into it, two axis of rotation of the inductors mounted on the stand, two rigid suspensions, the first ends of which are hinged on the axis of rotation of the inductors, and the second ends are rigidly connected to the flat inductors and are the first inputs of the flat inductors, and their second inputs are thin insulated conductors wound on both suspension, an ammeter and a rheostat, which form a sequential closed circuit with two serially connected flat inductors and a direct current source, a vessel with a liquid magnet mounted on a stand in which two flat inductors are placed in one plane perpendicular to the axes of the inductors themselves and the axes of rotation of these coils, a scale with degrees in degrees mounted on a stand.
RU2004121254/28A 2004-07-12 2004-07-12 Installation for researching on liquid magnet RU2272325C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004121254/28A RU2272325C1 (en) 2004-07-12 2004-07-12 Installation for researching on liquid magnet

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004121254/28A RU2272325C1 (en) 2004-07-12 2004-07-12 Installation for researching on liquid magnet

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2004121254A RU2004121254A (en) 2006-01-10
RU2272325C1 true RU2272325C1 (en) 2006-03-20

Family

ID=35872207

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004121254/28A RU2272325C1 (en) 2004-07-12 2004-07-12 Installation for researching on liquid magnet

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2272325C1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2004121254A (en) 2006-01-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102680356A (en) Density measuring device and method based on electromagnetic suspension
RU2321074C1 (en) Device for verifying the ampere law experimentally
RU2272325C1 (en) Installation for researching on liquid magnet
RU2308095C1 (en) Device for researching loading characteristics of a current supply
Williams Measuring Earth's local magnetic field using a Helmholtz coil
CN208093023U (en) A kind of demonstration test instrument for probing into electromagnet characteristic
RU2303295C1 (en) Device for studying vortex electric field in magnetic medium
RU2285960C1 (en) Training device for demonstration of second maxwell equation
CN210777431U (en) Comprehensive demonstration experiment instrument for exploring ampere force characteristics
Slavik et al. Magnetic circuit of electromagnetic flow meter with capacitive electrodes
RU2210815C2 (en) Practice device to study electromagnetic field
CN110782758A (en) Magnetic suspension analytic experiment system and method
RU2491650C1 (en) Installation for research of electromagnetic field of helmholtz coils
CN214123271U (en) Ampere force measuring instrument
Kekule Simple demonstration of Ampere’s law
RU2303820C1 (en) Device for measuring projection of strength vector of alternating electric field
RU2290700C1 (en) Device for demonstration of bio-savart-laplace law
RU2292602C1 (en) Device for definition of circulation of vector voltage of a magnetic field
RU2133505C1 (en) Training aid for physics
EP4086647A1 (en) Portable, fixed external field magnetometer for the detection of magnetic signals from samples and the assessment of the amount of magnetic material in the sample
Fleming Magnets and electric currents: An elementary treatise for the use of electrical artisans and science teachers
RU2137209C1 (en) Device for detection of circulation of intensity vector of electric and magnetic field
SU1668989A1 (en) Apparatus to demonstrate foucault currents effect
Gordon A physical treatise on electricity and magnetism
US2448111A (en) Method and apparatus for measuring constituents of gases

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20060713